爆破法处理盾构机卡壳

黎蜀明，樊荆连，陈豫生

(深圳市华海爆破工程有限公司，深圳 518019)

1 概况

左、右线2台盾构机同时卡壳，盾构卡壳的原因是刀具磨损严重，导致掘进断面欠挖约5 cm，欠挖部分的长度约2.5 m，需要处理的长度应大于上述数值。卡壳岩层属侏罗纪角岩，单轴抗压强度153 MPa，岩石结构致密非常坚硬。卡壳所处位置地层埋深42～44 m，隧道上部岩层厚度30 m。

2 施工方案

先在盾构机前方将掌子面3、9点以上半个隧道断面向前爆破大于2.5 m，同时向轮廓线以外扩大0.7 m，作为下一步扩大欠挖部分断面反向钻孔时的作业空间。由于岩巷掌子面紧贴(约0.1 m)盾构机的刀盘，向前掘进爆破的第一个循环只能短进尺、少装药和分区爆破(图1)，以确保岩体爆破后体积增大时有足够的空间容纳。掌子面掘进到位后平行于盾构机反向钻孔爆破，将欠挖部分扩大(只扩大3、9点以上半个隧道断面)。脱困施工按以下步骤进行。

(1)拆除盾构刀盘上的刀具。

(2)将刀盘旋转至便于钻掏槽孔的位置(图2“B-B剖”)。

(3)为反掘扩大欠挖断面的钻孔作业创造操作空间(掌子面爆破)：第一循环Ⅰ区(掏槽)钻孔爆破——第一循环Ⅱ区钻孔爆破——第一循环Ⅲ区钻孔爆破——第一循环Ⅳ区钻孔爆破——第二循环钻孔爆破。

(4)反掘欠挖断面钻孔爆破：掏槽爆破——对称分三次扩大欠挖部分的爆破。

(5)用高压风清理检查盾壳与岩层之间是否形成间隙(如果没有，重复施工步骤“4”)。

(6)安装盾构刀具。

(7)脱困试车。

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3 爆破参数及施工

采用φ40炮孔，φ32乳化炸药装药，孔深和间、排距根据爆破所在部位各不同。采用导爆管雷管簇联起爆网路。主要施工在步骤(3)和(4)，以下分别叙述。

3.1 掌子面爆破

掌子面向前掘进3、9点以上的断面，爆破分2个循环进行。第一循环因盾构机刀盘几乎紧贴掌子面(约0.1 m)，爆破钻孔只能根据刀盘上空隙的尺寸(图2“B-B剖”)布孔(图1)。钻杆穿过空隙，钻孔人员隔着刀盘站在土仓内作业(图2“A-A剖”)。因空间狭小，第一个循环采用短进尺、分4个区域钻孔爆破(图1)。如果不分区爆破，一次爆破量过大可能产生下列不良后果：一是由于岩石爆破后碎胀体积增大，爆破瞬间无法容纳超量石渣，可能使刀盘挤压受损；二是钻孔时要频繁转动盾构刀盘，影响施工效率。

第一循环孔深1.2 m。Ⅰ区只爆破掏槽部分，掏槽孔7个：中心1个装药孔，环中心6个空孔不装药(作为中心孔的侧向自由面)，3个扩槽孔(图2中5、7段)，共10孔(图3、表1)。空孔布置以中心装药孔为圆心，在半径10 cm的圆上。扩槽孔与中心孔的距离0.3 m(图3)。中心孔先响，第二响扩槽孔的起爆时间滞后中心孔100 ms以上(图3中5段导爆管雷管110 ms)。因为当1段起爆后短时间内中心孔掏槽的岩石还未抛离岩体，如果扩槽孔与中间孔的时差太小，还没有形成侧向临空面，会影响扩槽孔的爆破效果[3]。中心孔装药0.8 kg，扩槽孔单孔装药0.7 kg(表1)。图4和图5为环空孔掏槽爆前和爆后照片。

图 2 爆破施工范围和盾壳外围反掘炮孔布置及起爆顺序(右线)(单位：m)

图 3 Ⅰ区炮孔布置及起爆顺序(单位：m)

图 4 环空孔掏槽照片

表 1 掌子面第一循环掏槽爆破参数

Ⅱ、Ⅲ区的孔深与Ⅰ区相同，间、排距0.4～0.5 m，单孔装药0.6 kg。Ⅰ～Ⅲ区均站在土仓内钻孔，Ⅱ、Ⅲ区钻孔需转动盾构刀盘调整空隙位置；Ⅳ区钻孔人员可以进入到Ⅰ～Ⅲ区爆破形成的空间中刷炮，加快了施工进度。

第二循环的施工由于有了第一循环爆破的空间，操作相对简单。装药量不宜过大，按孔深30%～40%装药，一般2次完成整个断面的爆破。同时对3、9点以上轮廓线向外扩大0.7 m，便于反掘盾壳外围欠挖部分爆破作业时的操作空间。

3.2 反掘扩大欠挖断面钻孔爆破

在盾构外壳与岩石之间反向掘进一个半圆形槽，槽宽0.6 m，深度不小于预估欠挖长度，一次爆破到位。反掘爆破需先掏槽，掏槽区位置根据现场情况决定。左线从12点处掏槽，只需一个掏槽，由中间向两边等量、对称爆破。

右线由于掌子面的石渣已清空，人员站立位置与顶部距离太大，不便在顶部12点处钻孔，掏槽区(表2)放在3、9点共2处。掏槽爆破后从两边向中间等量、对称爆破(图2“B-B剖”)。为了减少夹制力，降低爆轰冲击对盾壳的影响，掏槽孔布置在远离盾壳处。形成侧向临空面后，从下往上分排顺序起爆，每次爆破不多于4排(两侧8排)，分3次爆破完成。内圈孔距离盾壳0.2 m，排距(以起爆顺序分为排距，下同)0.4 m；外圈孔距离盾壳0.6 m，排距略大于内圈孔排距。均采用导爆索串联药卷不偶合装药(表3)，炸药卷用电工胶布平均分5段绑在PVC片上，孔口留0.5 m用编织物堵塞。起爆顺序外圈孔先响，内圈孔后响，排间延时大于100 ms，以减轻爆破对盾壳的冲击。反掘爆破后效果见图6。

图 5 第一循环掏槽爆后照片

表 2 反掘扩大断面掏槽爆破参数

表 3 反掘扩大断面爆破参数

图 6 反掘爆破效果图片

4 经验总结及效果

在整个施工过程中，掌子面第一循环的掏槽爆破和反掘扩大欠挖断面的掏槽爆破是关键环节，这两个环节的工作做好了，脱困工作成功了一半。因为这2处的爆破离刀盘和盾构壳体很近，掏槽爆破的冲击力远大于有侧向临空面的其它爆破，这2处爆破参数优劣直接关系到盾构机的安全和能否达到脱困所需要的爆破长度。

左线从2021年1月27日下午爆破施工第一炮到2月3日结束，爆破用时不到7 d，反掘长度3 m(含刀盘0.75 m)；右线从2021年1月29日开始爆破到2月4日结束，爆破历时7 d，反掘长度3.3 m(含刀盘0.75 m)。爆破完成后经高压风管将盾构外壳吹洗干净测量，反掘底部12点位置盾壳体与岩石间隙：左线4～5 mm，右线15 mm，均达到脱困间隙。

两条盾构机于2021年2月17日以后陆续恢复掘进功能，至此圆满完成脱困工作。